JP2009229191A - Quality prediction device, quality prediction method, quality prediction program and computer-readable storage medium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、機器分析によるスペクトルデータを用いて、食品の品質を鑑定する鑑定人に頼ることなく、かつ鑑定人の行った官能試験と同等の食品の品質評価を、簡単にかつ精度よく予測することが可能な品質予測装置、品質予測方法、品質予測プログラム、およびコンピュータ読取可能な記録媒体に関する。 The present invention makes it possible to easily and accurately predict the quality evaluation of food equivalent to the sensory test conducted by the appraiser without relying on the appraiser who appraise the quality of the food using the spectral data obtained by instrumental analysis. The present invention relates to a possible quality prediction apparatus, a quality prediction method, a quality prediction program, and a computer-readable recording medium.
従来、食品の美味しさ、風味等の品質評価は、官能試験に依存している。すなわち、食品の品質評価は、食品の品質を鑑定する鑑定人による食品の外観、芳香、色および味に基づく官能試験により決定される。しかしながら、鑑定人が有する技能を獲得するためには経験年数がかかると共に、客観性および再現性が低いという問題が生じていた。 Conventionally, quality evaluations such as the taste and flavor of food depend on sensory tests. That is, the food quality evaluation is determined by a sensory test based on the appearance, aroma, color and taste of the food by an appraiser who assesses the quality of the food. However, in order to acquire the skills possessed by the appraiser, it took years of experience, and problems such as low objectivity and reproducibility occurred.
この問題を解決するために、近年では、鑑定人に依存することなく、食品の品質予測を行う方法が研究されている。この方法では、食品に含まれる構成成分(化学構造)を全て抽出し、抽出した食品の構成成分を定量化することができれば、食品の品質評価を悉皆的にかつ的確に把握することが可能となる。しかしながら、例えば緑茶の場合、現在のところ約600の化合物の存在が報告されている(非特許文献3)ため、全ての構成成分を定量化する方法によって食品の品質予測を行うことは困難である。 In order to solve this problem, in recent years, a method for predicting the quality of food without depending on an appraiser has been studied. With this method, if all the components (chemical structure) contained in the food are extracted and the components of the extracted food can be quantified, it is possible to grasp the quality evaluation of the food thoroughly and accurately. Become. However, for example, in the case of green tea, the presence of about 600 compounds has been reported at present (Non-Patent Document 3), so it is difficult to predict the quality of food by a method of quantifying all the components. .
そこで、全ての構成成分を定量化するのではなく、食品の構成成分の全体的な特徴を測定することによって食品の品質予測を行う方法が研究されている。 Therefore, a method for predicting the quality of food by measuring the overall characteristics of the constituents of the food instead of quantifying all the constituents has been studied.
食品の構成成分を定量化して食品の品質予測を行うために用いられる測定法のひとつとして、NIR(近赤外スペクトル;近赤外分光分析)測定法、例えばFT−NIR(フーリエ変換近赤外スペクトル)測定法がある。FT−NIR測定法とは、サンプルの近赤外の波長域1000nm〜2500nmにおける吸光度を連続的に測定する方法である。食品の構成成分の定量化を行うためにFT−NIR測定法を用いることにより、食品の構成成分(混合成分)の全体的な特徴を測定することができ、この特徴を用いて食品の品質予測を行うことができる。すなわち、FT−NIR測定法は、食品の構成成分を分離して定量化するのではなく、食品の構成成分の全体的な特徴を測定する方法である。 As one of the measurement methods used for quantifying food constituents and predicting food quality, NIR (Near Infrared Spectrum; Near Infrared Spectroscopy) measurement methods such as FT-NIR (Fourier Transform Near Infrared) (Spectrum) measurement method. The FT-NIR measurement method is a method of continuously measuring the absorbance of a sample in the near-infrared wavelength region of 1000 nm to 2500 nm. By using the FT-NIR measurement method to quantify food constituents, the overall characteristics of food constituents (mixed ingredients) can be measured and used to predict food quality. It can be performed. That is, the FT-NIR measurement method is a method for measuring the overall characteristics of the food components, rather than separating and quantifying the food components.
ここで、FT−NIR測定法を用いて食品の品質予測を行う方法として、本発明の出願人は、特許文献1に係る出願を知見している。特許文献1には、緑茶サンプルに対して前処理を行うことにより分析サンプルを行う工程、分析サンプルに対して機器分析を行うことにより分析結果を得る工程、および分析結果を数値データに変換して多変量解析する工程を含む緑茶の品質予測方法が開示されている。また、この緑茶の品質予測方法の一例として、特許文献1には、FT−NIR測定法を用いて機器分析を行った緑茶サンプルに対して多変量解析を行うことにより、緑茶の品質を簡便に予測することが可能な方法が記載されている。この場合の多変量解析では、緑茶サンプルに対して主成分分析(PCA)を行うことによって緑茶の等級と関連性が高い波数域を求めた後、この波数域の全データについて2次微分を行っている。なお、FT−NIR測定法を用いて機器分析を行った緑茶サンプルに対して多変量解析を行う品質予測方法については、非特許文献2にも記載されている。
Here, as a method for predicting the quality of food using the FT-NIR measurement method, the applicant of the present invention has found an application according to
さらに、上記PLS法以外の方法を用いた多変量解析のひとつとして、ムービング・ウインドウPLS(Moving Window - Partial Least Square;MW−PLS)法がある(非特許文献1)。ムービング・ウインドウPLS(MW−PLS)法とは、有効波長および波数領域を容易に見つけ出し、高い精度の検量線を作成することが可能な方法である。非特許文献1では、MW−PLS法を用いることにより、NH4OHおよびH2O2の最良のスペクトル範囲を決定している。
Furthermore, as one of multivariate analyzes using a method other than the PLS method, there is a moving window PLS (Moving Window-Partial Least Square; MW-PLS) method (Non-Patent Document 1). The moving window PLS (MW-PLS) method is a method capable of easily finding an effective wavelength and a wave number region and creating a calibration curve with high accuracy. In
なお、非特許文献3では、AEDA(Aroma Extract Dilution Analysis)法を改良したOASIS(Original Aroma Simultaneously Input to the Sniffing port method)法を用いて緑茶に含まれる特徴香気成分を評価する方法が開示されている。OASIS法とは、ガスクロマトグラフィ(GC)により分離した緑茶揮発性成分と緑茶中より発生する香気を連続的に混合し、その混合香気を嗅ぐことで緑茶に含まれる特徴香気成分を評価する方法である。
しかしながら、非特許文献1に記載の方法では、相関式を求める最適領域を探索することは可能であるが、複数の離れた最適領域を同時に探索することができない。また、ムービング・ウインドウ内に、波長間の吸光度に強い相関がある場合には、ムービング・ウインドウ内全ての波長の吸光度を用いることになるため、冗長な相関式を求めることになるという問題を生じる。
However, in the method described in Non-Patent
また、特許文献1および非特許文献1〜3には、緑茶のサンプルデータから品質予測に有効な波長を決定し、当該決定した有効な波長を用いて緑茶の品質予測を行う方法については開示されていない。特に、特許文献1および非特許文献1〜3には、緑茶のサンプルデータに対して高次の微分を行った後の緑茶のサンプルデータから品質予測に有効な波長を決定し、当該決定した有効波長を用いて緑茶の品質予測を行う方法については開示されていない。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、機器分析によるスペクトルデータを用いて、食品の品質を鑑定する鑑定人に頼ることなく、かつ鑑定人の行った官能試験と同等の食品の品質評価を、簡単にかつ精度よく予測することが可能な品質予測装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is the same as a sensory test conducted by an appraiser without relying on an appraiser who appraises the quality of food using spectral data obtained by instrumental analysis. It is an object of the present invention to provide a quality prediction apparatus capable of easily and accurately predicting quality evaluation of foods.
本発明に係る品質予測装置は、上記課題を解決するため、食品の品質予測を行う品質予測装置であって、複数の食品サンプルに対する機器分析結果から、スペクトルの特徴量を該食品サンプル毎に抽出する特徴量抽出手段と、上記特徴量抽出手段が食品サンプル毎に抽出したスペクトルの特徴量を波長毎に分類し、該波長毎に分類したスペクトルの特徴量の順位を評価するための特徴量評価値を決定する特徴量評価値決定手段と、上記特徴量評価値決定手段が決定した特徴量評価値と、上記複数の食品サンプルの品質鑑定を行う鑑定人による品質評価値との相関度を求める相関度算出手段と、上記相関度算出手段が求めた相関度の絶対値が、予め設定された相関度の閾値よりも大きいか否かを判定する相関度判定手段と、上記相関度判定手段によって上記相関度の絶対値が上記閾値よりも大きいと判定された場合、該相関度を上記相関度算出手段が求めたときに用いた特徴量評価値における波長を有効波長として決定する有効波長決定手段と、上記有効波長決定手段が決定した有効波長を用いて、各食品サンプルの品質予測値を決定する品質予測値決定手段と、を備えたことを特徴とする。 The quality prediction apparatus according to the present invention is a quality prediction apparatus that performs food quality prediction in order to solve the above-described problem, and extracts spectral feature amounts for each food sample from the result of instrument analysis for a plurality of food samples. And a feature amount evaluation unit for classifying the feature amount of the spectrum extracted by the feature amount extraction unit for each food sample for each wavelength and evaluating the rank of the feature amount of the spectrum classified for each wavelength. A feature amount evaluation value determining means for determining a value, a correlation for obtaining a correlation degree between the feature amount evaluation value determined by the feature amount evaluation value determining means and a quality evaluation value by an expert who performs quality evaluation of the plurality of food samples Degree calculation means, correlation degree determination means for determining whether or not the absolute value of the correlation degree obtained by the correlation degree calculation means is greater than a preset correlation degree threshold, and the correlation degree determination means Therefore, when it is determined that the absolute value of the correlation degree is larger than the threshold value, effective wavelength determination is performed in which the wavelength in the feature amount evaluation value used when the correlation degree calculation unit obtains the correlation degree is determined as the effective wavelength. And a quality predicted value determining means for determining a quality predicted value of each food sample using the effective wavelength determined by the effective wavelength determining means.
本発明に係る品質予測方法は、上記課題を解決するため、食品の品質予測を行う品質予測装置における品質予測方法であって、複数の食品サンプルに対する機器分析結果から、スペクトルの特徴量を該食品サンプル毎に抽出する特徴量抽出ステップと、上記特徴量抽出ステップにおいて食品サンプル毎に抽出したスペクトルの特徴量を波長毎に分類し、該波長毎に分類したスペクトルの特徴量の順位を評価するための特徴量評価値を決定する特徴量評価値決定ステップと、上記特徴量評価値決定ステップにおいて決定した特徴量評価値と、上記複数の食品サンプルの品質鑑定を行う鑑定人による品質評価値との相関度を求める相関度算出ステップと、上記相関度算出ステップにおいて求めた相関度の絶対値が、予め設定された相関度の閾値よりも大きいか否かを判定する相関度判定ステップと、上記相関度判定ステップにおいて上記相関度の絶対値が上記閾値よりも大きいと判定された場合、該相関度を上記相関度算出ステップにおいて求めたときに用いた特徴量評価値における波長を有効波長として決定する有効波長決定ステップと、上記有効波長決定ステップにおいて決定した有効波長を用いて、各食品サンプルの品質予測値を決定する品質予測値決定ステップと、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a quality prediction method according to the present invention is a quality prediction method in a quality prediction apparatus that performs quality prediction of food, and the feature amount of the spectrum is obtained from the equipment analysis results for a plurality of food samples. In order to classify the feature amount of the spectrum extracted for each sample in the feature amount extraction step to be extracted for each sample, and for each wavelength in the feature amount extraction step, and to evaluate the rank of the feature amount of the spectrum classified for each wavelength Correlation between the feature value evaluation value determining step for determining the feature value evaluation value, the feature value evaluation value determined in the feature value evaluation value determining step, and the quality evaluation value by the appraiser who performs quality evaluation of the plurality of food samples The correlation value calculating step for calculating the degree of correlation and the absolute value of the degree of correlation calculated in the above correlation degree calculating step is based on a preset correlation degree threshold value. And when the absolute value of the correlation is determined to be greater than the threshold value, the correlation is determined in the correlation calculation step. An effective wavelength determination step that determines the wavelength in the feature value evaluation value used as the effective wavelength, and a quality prediction value determination that determines the quality prediction value of each food sample using the effective wavelength determined in the effective wavelength determination step. And a step.
上記構成によれば、品質予測装置および品質予測方法では、機器分析結果からスペクトルの特徴量を抽出し、該スペクトルの特徴量を用いて特徴量評価値を決定する。この特徴量評価値と、鑑定人による品質評価値との相関度を求め、この相関度の絶対値が予め設定された閾値よりも大きい場合には、この相関度を求めたときに用いた特徴量評価値における波長を有効波長として決定する。そして、この有効波長を用いることによって各食品の品質予測値を決定する。すなわち、品質予測装置および品質予測方法では、機器分析結果の波長域から食品の品質予測値を決定することに適切である波長だけを抽出し、この抽出した波長を有効波長として決定している。 According to the above configuration, in the quality prediction apparatus and the quality prediction method, the feature amount of the spectrum is extracted from the device analysis result, and the feature amount evaluation value is determined using the feature amount of the spectrum. The degree of correlation between this feature quantity evaluation value and the quality evaluation value by the appraiser is obtained. If the absolute value of this degree of correlation is greater than a preset threshold value, the feature quantity used when obtaining this correlation degree The wavelength in the evaluation value is determined as the effective wavelength. And the quality prediction value of each foodstuff is determined by using this effective wavelength. That is, in the quality prediction apparatus and the quality prediction method, only wavelengths that are appropriate for determining the quality predicted value of food are extracted from the wavelength range of the instrument analysis result, and the extracted wavelengths are determined as effective wavelengths.
これにより、品質予測装置および品質予測方法では、精度よく食品の品質予測を行うことができ、信頼性の高い食品の品質予測結果を提供することができる。すなわち、品質予測装置および品質予測方法を用いることによって、食品の品質を鑑定する鑑定人に頼ることなく、かつ鑑定人の行った官能試験と同等の食品の品質評価を、簡単にかつ精度よく予測することが可能となる。 Thereby, in the quality prediction apparatus and the quality prediction method, the quality prediction of food can be performed with high accuracy, and the quality prediction result of food with high reliability can be provided. In other words, by using a quality prediction device and quality prediction method, it is possible to easily and accurately predict the quality evaluation of food equivalent to the sensory test conducted by the appraiser without relying on the appraiser who appraise the quality of the food. Is possible.
さらに、本発明に係る品質予測装置は、上記特徴量抽出手段は、上記機器分析結果に対して波長について微分することによって波長毎に高次の微分係数まで求め、該求めた微分係数のうち同次数の微分係数を抽出してベクトル表現したものを上記スペクトルの特徴量として抽出してもよい。 Further, the quality prediction apparatus according to the present invention is characterized in that the feature quantity extraction unit obtains a higher-order differential coefficient for each wavelength by differentiating the device analysis result with respect to the wavelength, and the same among the obtained differential coefficients. A vector expression obtained by extracting the differential coefficient of the order may be extracted as the feature quantity of the spectrum.
上記構成によれば、特徴量抽出手段は、同次数の微分係数を抽出してベクトル表現したものをスペクトルの特徴量としている。このとき、特徴量抽出手段は、このベクトル表現のために、機器分析結果に対して波長について微分することによって波長毎に高次の微分係数を求める。 According to the above configuration, the feature quantity extraction unit extracts the differential coefficient of the same order and expresses it as a vector feature as the spectrum feature quantity. At this time, the feature quantity extraction means obtains a higher-order differential coefficient for each wavelength by differentiating the wavelength with respect to the device analysis result for this vector expression.
これにより、品質予測装置の有効波長決定手段は、機器分析結果においてより多くの波長を有効波長として決定することができる。すなわち、品質予測装置では、高次の微分係数を用いてベクトル表現したものをスペクトルの特徴量とすることができるため、精度のよい食品の品質予測を簡単に行うことができる。 Thereby, the effective wavelength determination means of the quality predicting apparatus can determine more wavelengths as effective wavelengths in the instrument analysis result. That is, in the quality prediction apparatus, a vector expression using a higher-order differential coefficient can be used as a spectral feature amount, and therefore, accurate quality prediction of food can be easily performed.
さらに、本発明に係る品質予測装置は、上記品質予測値決定手段は、多変量解析を行うことによって各食品サンプルの品質予測値を決定するモデル式を作成してもよい。また、本発明に係る品質予測装置は、上記多変量解析は、部分最小二乗法を用いた回帰分析であってもよい。 Furthermore, in the quality prediction apparatus according to the present invention, the quality prediction value determination means may create a model formula for determining the quality prediction value of each food sample by performing multivariate analysis. In the quality prediction apparatus according to the present invention, the multivariate analysis may be regression analysis using a partial least square method.
上記構成によれば、品質予測装置は、多変量解析を行うことによって得られるモデル式を作成(構築)することによって、食品の品質予測を行う。また、品質予測装置では、多変量解析として、特に部分最小二乗法を用いた回帰分析を用いている。 According to the above configuration, the quality prediction apparatus performs food quality prediction by creating (constructing) a model formula obtained by performing multivariate analysis. Moreover, in the quality prediction apparatus, regression analysis using a partial least square method is used as multivariate analysis.
これにより、品質予測装置は、機器分析結果に含まれる有効波長を変数として用いて、精度よく食品の品質予測を行うことができる。 Thereby, the quality prediction apparatus can accurately predict the quality of food using the effective wavelength included in the instrument analysis result as a variable.
さらに、本発明に係る品質予測装置は、上記機器分析結果は、近赤外分光分析によって得られる、食品サンプルの吸光度を示すデータであってもよい。 Furthermore, in the quality prediction apparatus according to the present invention, the instrumental analysis result may be data indicating the absorbance of a food sample obtained by near infrared spectroscopy.
上記構成によれば、品質予測装置は、食品サンプルの吸光度を示すスペクトルデータを用いて、精度よく食品の品質予測を行うことができる。 According to the said structure, the quality prediction apparatus can perform the quality prediction of food accurately using the spectrum data which shows the light absorbency of a food sample.
さらに、本発明に係る品質予測装置は、ユーザ操作を取得する操作画面を表示する表示手段をさらに備えていてもよい。 Furthermore, the quality prediction apparatus according to the present invention may further include display means for displaying an operation screen for acquiring a user operation.
上記構成によれば、ユーザは、表示手段に表示される操作画面を操作することによって、品質予測装置に食品の品質予測を簡単に行わせることができ、この品質予測結果を簡単に知ることができる。 According to the above configuration, the user can easily cause the quality prediction apparatus to perform food quality prediction by operating the operation screen displayed on the display means, and can easily know the quality prediction result. it can.
なお、上記品質予測装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記各手段として動作させることにより上記品質予測装置をコンピュータにて実現させる品質予測プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。 The quality prediction apparatus may be realized by a computer. In this case, a quality prediction program for causing the quality prediction apparatus to be realized by a computer by causing the computer to operate as the above-described means, and the program are recorded. Computer-readable recording media are also within the scope of the present invention.
本発明に係る品質予測装置は、以上のように、複数の食品サンプルに対する機器分析結果から、スペクトルの特徴量を該食品サンプル毎に抽出する特徴量抽出手段と、上記特徴量抽出手段が食品サンプル毎に抽出したスペクトルの特徴量を波長毎に分類し、該波長毎に分類したスペクトルの特徴量の順位を評価するための特徴量評価値を決定する特徴量評価値決定手段と、上記特徴量評価値決定手段が決定した特徴量評価値と、上記複数の食品サンプルの品質鑑定を行う鑑定人による品質評価値との相関度を求める相関度算出手段と、上記相関度算出手段が求めた相関度の絶対値が、予め設定された相関度の閾値よりも大きいか否かを判定する相関度判定手段と、上記相関度判定手段によって上記相関度の絶対値が上記閾値よりも大きいと判定された場合、該相関度を上記相関度算出手段が求めたときに用いた特徴量評価値における波長を有効波長として決定する有効波長決定手段と、上記有効波長決定手段が決定した有効波長を用いて、各食品サンプルの品質予測値を決定する品質予測値決定手段と、を備えた構成である。 As described above, the quality prediction apparatus according to the present invention includes a feature amount extraction unit that extracts a spectrum feature amount for each food sample from the instrument analysis results for a plurality of food samples, and the feature amount extraction unit includes the food sample. A feature amount evaluation value determining means for classifying the feature amount of the spectrum extracted for each wavelength and determining a feature amount evaluation value for evaluating the rank of the feature amount of the spectrum classified for each wavelength; and the feature amount Correlation degree calculating means for obtaining a correlation degree between the feature amount evaluation value determined by the evaluation value determining means and a quality evaluation value by an appraiser who performs quality evaluation of the plurality of food samples, and a correlation degree obtained by the correlation degree calculating means Correlation degree determining means for determining whether or not the absolute value of the correlation degree is greater than a preset correlation degree threshold value, and the correlation degree determining means determines that the absolute value of the correlation degree is greater than the threshold value. The effective wavelength determining means for determining, as the effective wavelength, the wavelength in the feature amount evaluation value used when the correlation calculating means calculates the correlation, and the effective wavelength determined by the effective wavelength determining means. And a quality prediction value determining means for determining a quality prediction value of each food sample.
また、本発明に係る品質予測方法は、以上のように、複数の食品サンプルに対する機器分析結果から、スペクトルの特徴量を該食品サンプル毎に抽出する特徴量抽出ステップと、上記特徴量抽出ステップにおいて食品サンプル毎に抽出したスペクトルの特徴量を波長毎に分類し、該波長毎に分類したスペクトルの特徴量の順位を評価するための特徴量評価値を決定する特徴量評価値決定ステップと、上記特徴量評価値決定ステップにおいて決定した特徴量評価値と、上記複数の食品サンプルの品質鑑定を行う鑑定人による品質評価値との相関度を求める相関度算出ステップと、上記相関度算出ステップにおいて求めた相関度の絶対値が、予め設定された相関度の閾値よりも大きいか否かを判定する相関度判定ステップと、上記相関度判定ステップにおいて上記相関度の絶対値が上記閾値よりも大きいと判定された場合、該相関度を上記相関度算出ステップにおいて求めたときに用いた特徴量評価値における波長を有効波長として決定する有効波長決定ステップと、上記有効波長決定ステップにおいて決定した有効波長を用いて、各食品サンプルの品質予測値を決定する品質予測値決定ステップと、を含む方法である。 In addition, as described above, the quality prediction method according to the present invention includes a feature amount extraction step for extracting a spectrum feature amount for each food sample from the device analysis results for a plurality of food samples, and the feature amount extraction step. A feature amount evaluation value determining step for classifying the feature amount of the spectrum extracted for each food sample for each wavelength, and determining a feature amount evaluation value for evaluating the rank of the feature amount of the spectrum classified for each wavelength, and Correlation degree calculation step for obtaining a correlation degree between the feature quantity evaluation value determined in the feature amount evaluation value determination step and a quality evaluation value by an appraiser who performs the quality evaluation of the plurality of food samples, and the correlation degree calculation step A correlation degree determination step for determining whether or not the absolute value of the correlation degree is larger than a preset correlation degree threshold; If the absolute value of the correlation degree is determined to be greater than the threshold value, the effective wavelength for determining the wavelength in the feature value evaluation value used when the correlation degree is obtained in the correlation degree calculation step as the effective wavelength. The method includes a determination step and a quality prediction value determination step of determining a quality prediction value of each food sample using the effective wavelength determined in the effective wavelength determination step.
それゆえ、品質予測装置および品質予測方法では、精度よく食品の品質予測を行うことができ、信頼性の高い食品の品質予測結果を提供することができる。すなわち、品質予測装置および品質予測方法を用いることによって、食品の品質を鑑定する鑑定人に頼ることなく、かつ鑑定人の行った官能試験と同等の食品の品質評価を、簡単にかつ精度よく予測することが可能となる。 Therefore, the quality prediction apparatus and the quality prediction method can accurately predict the quality of food, and can provide a reliable food quality prediction result. In other words, by using a quality prediction device and quality prediction method, it is possible to easily and accurately predict the quality evaluation of food equivalent to the sensory test conducted by the appraiser without relying on the appraiser who appraise the quality of the food. Is possible.
本発明の一実施形態について図1〜図9に基づいて説明すると以下の通りである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
〔機器分析装置2の概要〕
まず、本発明の一実施形態に係る品質予測装置1に供給するスペクトルデータを生成する機器分析装置2について説明する。機器分析装置2は、NIR(近赤外スペクトル;近赤外分光分析)測定法により食品サンプルの任意の波長域における吸光度を測定するものであり、例えばFT−NIR(フーリエ変換近赤外スペクトル)測定装置が挙げられる。なお、FT−NIR測定装置は、食品サンプルの波長域1000nm〜2500nmにおいて得られる透過率を連続的に測定し、この透過率を吸光度に変換するものである。すなわち、FT−NIR測定装置は、食品サンプルの波長域1000nm〜2500nmにおける吸光度を連続的に測定するものであるといえる。
[Outline of Instrument Analyzer 2]
First, an
また、FT−NIR測定装置では、品質予測を行いたい食品が例えば緑茶、紅茶等の固体である場合には、食品を粉末した後、この粉末を溶媒でペースト状にして測定を行う。粉末をペースト状にするための溶媒としては、例えばIR測定用試料の調整のために試料に応じて通常選択される溶媒が用いられる。なお、FT−NIR測定装置では、品質予測を行いたい食品が例えばワイン等のような液体である場合には、液体をそのまま用いて測定を行う。 Further, in the FT-NIR measuring apparatus, when the food whose quality is to be predicted is a solid such as green tea or black tea, the food is powdered, and then the powder is measured in a paste form with a solvent. As the solvent for making the powder into a paste, for example, a solvent that is usually selected according to the sample for adjusting the sample for IR measurement is used. In the FT-NIR measurement device, when the food whose quality is to be predicted is a liquid such as wine, the measurement is performed using the liquid as it is.
機器分析装置2が食品サンプルに対して機器分析測定を行った結果、図3に示すような食品サンプルのスペクトルデータが得られる。図3に示すスペクトルデータは、食品サンプルが緑茶であり、機器分析装置2がFT−NIR測定装置である場合のスペクトルデータである。すなわち、機器分析装置2は、図3に示すような、食品サンプルの複雑なスペクトルプロファイルデータを得るための測定装置である。
As a result of instrument analysis measurement performed on the food sample by the
本発明に係る品質予測装置1は、上記機器分析装置2で得られる、吸光度を示すスペクトルデータを用いて食品の品質を予測するものであり、以下にその詳細を説明する。なお、本実施形態において、特に断りのない場合には、機器分析装置2とはFT−NIR測定装置を指すものとする。
The
〔品質予測装置1の概要〕
ここで、本発明の一実施形態に係る品質予測装置1の概略構成について図1を用いて説明する。図1は、本発明に係る品質予測装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
[Outline of Quality Prediction Device 1]
Here, a schematic configuration of the
品質予測装置1は、様々な食品の品質を、食品の品質を鑑定する鑑定人に頼ることなく、かつ鑑定人の行った官能試験と同等の品質評価を予測することが可能な装置である。すなわち、品質予測装置1は、後述のように、食品サンプルのスペクトルの特徴量から食品の品質予測に関連する波長を決定し、この決定した波長を用いてモデル式を構築するものである。これにより、品質予測装置1は、食品サンプルの品質予測値を精度よく推定する、すなわち官能試験の結果(品質評価値)との相関度の高いモデル式を構築(作成)するものである。
The
ここで、本発明に係る品質予測装置1は、図1に示すように、特徴量抽出部(特徴量抽出手段)11、特徴量評価値決定部(特徴量評価値決定手段)12、相関度算出部(相関度算出手段)13、相関度判定部(相関度判定手段)14、有効波長決定部(有効波長決定手段)15、モデル式作成部(品質予測値決定手段)16、および表示部(表示手段)17を機能ブロックとして備える。なお、これら各機能ブロックは、例えば、CPU(central processing unit)がROM(read only memory)等に記憶されているプログラムをRAM(random access memory)等に読み出し実行することにより実現できる。
Here, as shown in FIG. 1, the
特徴量抽出部11は、品質予測装置1が機器分析装置2から取得した複数の食品サンプルの各スペクトルデータから、スペクトルの特徴量を抽出するものである。具体的には、特徴量抽出部11は、各スペクトルデータの任意の波長においてテイラー展開を行うことにより、同次数の微分係数を食品サンプル毎にベクトル表現した形として、スペクトルの特徴量を抽出する。
The feature
特徴量評価値決定部12は、特徴量抽出部11から出力されたスペクトルの特徴量から、特徴量評価値を決定するものである。具体的には、特徴量評価値決定部12は、特徴量抽出部11が食品サンプル毎に抽出したスペクトルの特徴量を波長毎の微分係数に分類した後、これらの微分係数に対して波長毎に順位付けを行い、波長毎の特徴量評価値(微分係数の順位)を決定する。すなわち、特徴量評価値決定部12は、波長毎に分類したスペクトルの特徴量の順位を評価するための特徴量評価値を決定するものである。
The feature amount evaluation
相関度算出部13は、特徴量評価値決定部12から出力された波長毎の特徴量評価値と、鑑定人が鑑定した結果である品質評価値との相関度を、スピアマンの順位相関係数を用いて算出するものである。
The degree-of-
相関度判定部14は、相関度算出部13から出力された相関度の絶対値と予め設定された閾値とを比較して、相関度の絶対値が閾値よりも大きいか否かを判定するものである。また、相関度判定部14は、相関度の絶対値が閾値よりも大きいと判定した場合には、相関度を算出したときに用いた特徴量評価値における波長を有効波長決定部15に出力する。
The correlation
有効波長決定部15は、相関度判定部14で相関度の絶対値が閾値よりも大きいと判定された場合の特徴量評価値における波長を、有効波長として決定するものである。
The effective
モデル式作成部16は、有効波長決定部15で決定された有効波長と、部分最小二乗法(Partial Least Square法、PLS法)とを用いて、各食品サンプルの品質予測値を決定するモデル式を作成するものである。
The model
表示部17は、操作画面、機器分析装置2から取得するスペクトルデータ、品質予測装置1での処理結果等を表示するものである。表示部17は、例えば後述の図9に示すユーザ操作を取得する操作画面としてのメイン画面3等を表示する。
The display unit 17 displays an operation screen, spectrum data acquired from the
〔品質予測装置1における処理の流れ〕
次に、本発明に係る品質予測装置1における処理の流れについて、図2を用いて説明する。図2は、本発明に係る品質予測装置1における処理の流れを示すフローチャートである。ここでは、品質予測装置1が品質予測する食品サンプルの数をn個とする。
[Flow of processing in the quality prediction apparatus 1]
Next, the flow of processing in the
まず、品質予測装置1において品質予測を行いたい各食品サンプルのスペクトルデータが、機器分析装置2の測定結果として入力される(S1)。品質予測装置1に上記スペクトルデータが入力されると、特徴量抽出部11は、これらのスペクトルデータからスペクトルの特徴量を食品サンプル毎に抽出する(S2)。
First, spectrum data of each food sample to be subjected to quality prediction in the
具体的には、特徴量抽出部11は、機器分析装置2からn個の食品サンプルのスペクトルデータを取得すると、n個のスペクトルデータの任意の波長に対してそれぞれテイラー展開を行う。すなわち、特徴量抽出部11は、機器分析装置2から受け取ったスペクトルデータにおける任意の波長sの近傍の波長bの周りで、以下の式(1)に示すテイラー展開を行う。すなわち、特徴量抽出部11は、複雑なスペクトルデータを高次の微分係数まで波長毎に分解している。
Specifically, when the feature
なお、上記では、特徴量抽出部11は、機器分析装置2で得られた複雑なスペクトルデータを高次の微分係数まで波長毎に分解するために(すなわち、スペクトルデータから高次の微分係数を得るために)、テイラー展開法を用いているが、同様の効果を奏するものであればどのような方法を用いてもよい。
In the above description, the feature
そして、特徴量抽出部11は、波長s(s=s1,s2,・・・,sj,・・・,sm)の近傍にてテイラー展開を行うことによって得られる微分係数を、以下の式(2)に示すように表現することにより、スペクトルの特徴量を抽出する。ここで、式(2)は、食品サンプルi(i=1,2,・・・,n)におけるスペクトルデータについて、k次微分までテイラー展開を行った場合の、k次(同次数)の微分係数をベクトル表現した形として得られるスペクトルの特徴量xi (k)を示すものである。なお、波長s1,s2,・・・,smは、食品サンプルiのスペクトルデータにおける任意の波長を示すものである。 Then, the feature quantity extraction unit 11 calculates a differential coefficient obtained by performing Taylor expansion in the vicinity of the wavelength s (s = s 1 , s 2 ,..., S j ,..., S m ). By expressing as shown in the following equation (2), the feature amount of the spectrum is extracted. Here, the equation (2) is the k-th order (same order) differentiation when the Taylor expansion is performed up to the k-th order differentiation for the spectrum data in the food sample i (i = 1, 2,..., N). It shows the feature quantity x i (k) of the spectrum obtained as a form in which the coefficient is expressed as a vector. The wavelength s 1, s 2, ···, s m shows the arbitrary wavelength spectral data of food samples i.
次に、特徴量抽出部11は、スペクトルの特徴量xi (k)をn個の食品サンプル毎に抽出すると、これらのスペクトルの特徴量xi (k)を特徴量評価値決定部12に出力する。特徴量評価値決定部12は、特徴量抽出部11から出力されたスペクトルの特徴xi (k)を波長s1,s2,・・・,sm毎に分類し(S3)、波長毎に分類したスペクトルの特徴量を用いた特徴量評価値を決定する(S4)。
Next, the
具体的には、特徴量評価値決定部12は、例えば波長s1の場合、n個の食品サンプルにおけるスペクトルの特徴量xi (k)から波長s1の微分係数(f1 (k)(s1)、f2 (k)(s1)、・・・、fn (k)(s1))を抽出する。つまり、特徴量評価値決定部12は、スペクトルの特徴量xi (k)から波長sj(j=1,・・・,m)毎の微分係数を抽出することによって、波長m個分の微分係数に分類する。
Specifically, for example, in the case of the wavelength s 1 , the feature amount evaluation
特徴量評価値決定部12は、スペクトルの特徴量xi (k)を波長m個分の微分係数に分類すると、波長毎にこの微分係数に順位付けを行い、波長毎に特徴量評価値(微分係数の順位)xrankを決定する。すなわち、特徴量評価値決定部12は、特徴量評価値xrankを決定することにより、実数値である微分係数を整数値に変換している。なお、食品サンプルiの波長sj(k次微分)における特徴量評価値は、xranki (k)(sj)と表現される。
When the feature quantity evaluation
例えば波長s1の微分係数(f1 (k)(s1)、f2 (k)(s1)、・・・、fn (k)(s1))の場合で、f2 (k)(s1)<f1 (k)(s1)<・・・<fn (k)(s1)となっている場合を考える。この場合、波長s1における特徴量評価値xrank1 (k)(s1)=2、xrank2 (k)(s1)=1となる。すなわち、特徴量評価値決定部12は、各微分係数の実数値の小さい順番に並び替えることによって、微分係数の順位付けを行う。
For example, in the case of differential coefficients (f 1 (k) (s 1 ), f 2 (k) (s 1 ),..., F n (k) (s 1 )) of the wavelength s 1 , f 2 (k ) Consider the case where (s 1 ) <f 1 (k) (s 1 ) <... <F n (k) (s 1 ). In this case, the feature value evaluation value xrank 1 (k) (s 1 ) = 2 at the wavelength s 1 and xrank 2 (k) (s 1 ) = 1. That is, the feature quantity evaluation
次に、特徴量評価値決定部12は、波長毎の特徴量評価値を相関度算出部13に出力する。相関度算出部13は、特徴量評価値決定部12から出力された波長毎の特徴量評価値xrankと、鑑定人が鑑定した結果である品質評価値Yとの相関度を算出する(S5)。具体的には、相関度算出部13は、次式(3)に示すスピアマンの順位相関係数を用いることにより、上記特徴量評価値xrankと品質評価値Yとの相関度rを波長毎に算出する。
Next, the feature amount evaluation
なお、品質予測装置1は、機器分析装置2で測定される食品サンプルの品質評価値Yを、機器分析装置2からスペクトルデータと共に取得してもよいし、ユーザ入力によって取得してもよい。また、相関度算出部13は、上記相関度rの算出においてスピアマンの順位相関係数を用いているが、これに限らず、相関度rを算出可能な方法であればどのような方法を用いてもよい。
In addition, the
相関度算出部13は、算出した相関度rを相関度判定部14に出力する。相関度判定部14は、相関度算出部13から出力された相関度rの絶対値と予め設定された閾値rthとを比較して、相関度rの絶対値が閾値rthよりも大きいか否かを判定する(S6)。すなわち、相関度判定部14は、
The correlation
であるか否かを判定する。なお、上記閾値rthは、例えば0.90と設定されているが、これに限らず、相関度rに対して相関関係があると通常判定する程度の閾値が設定されていればよい。また、閾値rthは、品質予測装置1を用いるときにユーザが適宜設定してもよいし、品質予測装置1の製造時に予め設定されていてもよい。
It is determined whether or not. The threshold value r th is set to 0.90, for example. However, the present invention is not limited to this, and it is only necessary to set a threshold value that normally determines that there is a correlation with the correlation degree r. Further, the threshold r th may be appropriately set by the user when using the
そして、相関度判定部14は、相関度rが閾値rthよりも大きいと判定した場合(S6でYES)、この相関度rを算出したときに用いた特徴量評価値xrankにおける波長sを有効波長決定部15に出力する。すなわち、相関度判定部14は、S6でYESの場合、特徴量評価値決定部12によって決定された特徴量評価値xrankと品質評価値Yとの相関が高いと判定する。一方、相関度判定部14によって、相関度rが閾値rth以下であると判定された場合には(S6でNO)、品質予測装置1における処理を終了する。
If the correlation
有効波長決定部15は、相関度判定部14から出力された波長sを受け取ると、この波長sをモデル式作成部16で作成されるモデル式yで用いる波長として有効であると判断し、この波長sを有効波長s’-として決定する(S7)。すなわち、有効波長決定部15は、相関度判定部14で相関度rが閾値rthよりも大きいと判定されたときの特徴量評価値xrankにおける波長sを有効波長s’として決定する。そして、有効波長決定部15は、決定した有効波長s’をモデル式作成部16に出力する。
Upon receiving the wavelength s output from the correlation
モデル式作成部16は、有効波長決定部15から出力された有効波長s’と、PLS法とを用いることによって、各食品サンプルの品質予測値を決定する線形式のモデル式yを次式(4)のように作成する(S8)。
The model
なお、式(4)のs’ 1,・・・,s’ j,・・・,s’ mは、有効波長決定部15において有効波長s’として決定された波長である。
S ′ 1 ,..., S ′ j ,..., S ′ m in the equation (4) are wavelengths determined as the effective wavelength s ′ by the effective
また、モデル式作成部16は、式(4)に示すモデル式yを作成するときに、予測誤差(予測能)Rpred 2を用いて因子数を決定する。なお、モデル式作成部16がモデル式yを作成するときに用いるPLS法および予測誤差Rpred 2については後述する。
The model
以上のように、品質予測装置1では、上述のようにモデル式yを作成することによって、鑑定人による品質評価値Yと相関度の高いモデル式yを作成することができる。従って、本発明に係る品質予測装置1は、精度よく食品の品質予測を行うことができ、信頼性の高い食品の品質予測結果を提供することができる。すなわち、品質予測装置1を用いることによって、食品の品質を鑑定する鑑定人に頼ることなく、かつ鑑定人の行った官能試験と同等の食品の品質評価を、簡単にかつ精度よく予測することが可能となる。
As described above, the
〔PLS法によるモデル式の作成〕
モデル式作成部16にて用いられるPLS法について説明する。PLS法は、多変量解析で用いられる回帰分析という統計的手法であり、変数(例えば波数、波長)間に相関を有するスペクトルデータからの検量線作成に有効な手法である。なお、多変量解析とは、一般に、複数の変数に関するデータをもとにして、これらの変数間の相互関連を分析する統計的手法である。これにより、品質予測装置1は、機器分析装置2から出力されたスペクトルデータに含まれる有効波長を変数として用いて、食品の品質予測を行うことができる。
[Create model formula by PLS method]
The PLS method used in the model
通常、変数間の相関が高いと、用いる変数の組合せによっては回帰精度が著しく低下するが、PLS法では、これを避けるために、変数を互いに無相関な変数(潜在変数)に変換し、この潜在変数を用いて回帰を行う。すなわち、PLS法とは、データの変数を直交変換し、その新たな変数を用いて(重)回帰分析を行う解析手法である。 In general, if the correlation between variables is high, the regression accuracy will be significantly reduced depending on the combination of variables used. However, in order to avoid this, the PLS method converts the variables into mutually uncorrelated variables (latent variables). Perform regression using latent variables. That is, the PLS method is an analysis method in which data variables are orthogonally transformed and (multiple) regression analysis is performed using the new variables.
PLS法について、より具体的には説明する。ここでは、説明を簡略化するために、食品サンプルiにおける有効波長s’ jのk次の微分係数fi (k)(S’ j)をxijと表記する。また、食品サンプル数をN個、有効波長の個数をM個とする。なお、モデル式yiおよびk次の微分係数xijは、 More specifically, the PLS method will be described. Here, in order to simplify the description, the k-th order differential coefficient f i (k) (S ′ j ) of the effective wavelength s ′ j in the food sample i is expressed as x ij . Further, the number of food samples is N, and the number of effective wavelengths is M. Note that the model equation y i and the k-th order differential coefficient x ij are
と変換されているものとする。つまり、ここではPLS法によるモデル式yとして、 And converted. That is, here, as the model expression y by the PLS method,
を求めることになる。 Will be asked.
まず、N個の食品サンプルについての全スペクトルの特徴量およびモデル式を行列で記述すると、全スペクトルの特徴量Xおよびモデル式yは、 First, if the feature amount and model expression of all spectra for N food samples are described in a matrix, the feature amount X and model equation y of all spectra are
と表せる。PLS法では、式(5)を導くために、ラグランジュの未定乗数法を用いる。 It can be expressed. The PLS method uses Lagrange's undetermined multiplier method to derive equation (5).
すなわち、wをM個の要素からなる大きさ1のベクトルと定義すると共に、未定乗数をμとし、
That is, w is defined as a vector of
とおく。ここで、G(w,μ)についてwkで偏微分し、偏微分したG(w,μ)を0とおくと、 far. Here, G (w, μ) is partially differentiated by w k , and G (w, μ) obtained by partial differentiation is set to 0.
となる。これを解くと、wkは、 It becomes. Solving this, w k becomes
と求められる。次に、wk(k=1)を用いて、第1の潜在変数t1 Is required. Next, using w k (k = 1), the first latent variable t 1
とおき、この第1の潜在変数t1を用いて、 Then, using this first latent variable t 1 ,
を求める。ここで、p1は第1成分のローディングベクトル、q1は第1成分の係数である。以上より、第1のパラメータ(t1,p1,q1)が求められる。 Ask for. Here, p 1 is a loading vector of the first component, and q 1 is a coefficient of the first component. From the above, the first parameters (t 1 , p 1 , q 1 ) are obtained.
次に、上記p1およびq1を解くと、 Next, when p 1 and q 1 are solved,
と表すことができる。また、Eは残差を示す行列、fは残差を示すベクトルである。続いて、 It can be expressed as. E is a matrix indicating the residual, and f is a vector indicating the residual. continue,
を求め、式(6)以降の過程を繰り返すことによって、第2のパラメータ(t2,p2,q2)を求める。これをA回繰り返すことにより、A組のパラメータ(t1,p1,q1),(t2,p2,q2),・・・,(tA,pA,qA)を求めることができる。 And the second parameter (t 2 , p 2 , q 2 ) is obtained by repeating the processes after the equation (6). By repeating this A times, A set of parameters (t 1 , p 1 , q 1 ), (t 2 , p 2 , q 2 ),..., (T A , p A , q A ) are obtained. be able to.
また、A組のパラメータを用いて、pk(k=1,・・・,A)およびqk(k=1,・・・,A)を解くと、 In addition, when p k (k = 1,..., A) and q k (k = 1,..., A) are solved using A set of parameters,
と表すことができる。ここで、上式のT、P、qは、 It can be expressed as. Here, T, P, and q in the above formula are
と表すことができる。ここで、T、P、qはそれぞれA個の因子よりなる潜在変数、ローディングベクトルおよび係数である。 It can be expressed as. Here, T, P, and q are latent variables, loading vectors, and coefficients each consisting of A factors.
また、式(5)における係数ak(k=1,・・・,A)は、 Further, the coefficient a k (k = 1,..., A) in the equation (5) is
より求めることができる。ここで、上式のWは、W=[w1,w2,・・・,wA]と表されるA個の因子よりなる重みベクトルである。なお、係数a0は、 It can be obtained more. Here, W in the above equation is a weight vector composed of A factors expressed as W = [w 1 , w 2 ,..., W A ]. The coefficient a 0 is
とする。 And
次に、モデル式yにおいて最適な因子数(Aの数;潜在変数の数)を決定するために、ここではクロスバリデーションという検証法を用いて予測誤差Rpred 2(A)を求める。クロスバリデーションとは、測定データ(ここでは機器分析装置2にて測定されるスペクトルデータ)を推定用と検証用とに分け、検証時の予測誤差が最小になるように因子数を決める方法である。 Next, in order to determine the optimum number of factors (the number of A; the number of latent variables) in the model formula y, here, the prediction error R pred 2 (A) is obtained using a verification method called cross-validation. Cross-validation is a method in which measurement data (here, spectrum data measured by the instrument analyzer 2) is divided into estimation and verification, and the number of factors is determined so that the prediction error at the time of verification is minimized. .
N個の食品サンプルのうちu番目の食品サンプルを除いた残りの食品サンプルの成分数(有効波長s’の個数)A=1,2,・・・,Mにおけるモデル式(上式(5))を求める。このとき求められる予測値をそれぞれyu(1),yu(2),・・・,yu(M)、実測値をyu(obs)とする。 The number of components of the remaining food sample excluding the u-th food sample out of N food samples (number of effective wavelengths s ′ ) A = 1, 2,..., Model formula (the above formula (5) ) At this time it sought predicted value of each y u (1), y u (2), ···, y u (M), the measured value and y u (obs).
全ての食品サンプルにおいて同様の操作をM回繰り返す。そして、 The same operation is repeated M times for all food samples. And
を計算し、予測誤差Rpred 2(A)を最大にするときのAを最適な因子数として決定する。すなわち、因子数とは、重みベクトルWに含まれる因子Aの数を指し、有効波長決定部15で決定された有効波長s’を全て用いて、最適な重みベクトルW=[w1,w2,・・・,wA]を計算することによって求められる。
And A when maximizing the prediction error R pred 2 (A) is determined as the optimum factor number. That is, the number of factors refers to the number of factors A included in the weight vector W, and the optimum weight vector W = [w 1 , w 2 is used by using all the effective wavelengths s ′ determined by the effective
〔実施例〕
次に、本発明に係る品質予測装置1における食品の品質予測例を以下に説明する。本実施例は、鑑定人(マイスター)によって1〜64ランクの品質鑑定がなされた緑茶(奈良県産:大和茶)のうちの13サンプルを用いて品質予測装置1に品質予測を行わせたものである。
〔Example〕
Next, an example of food quality prediction in the
まず、エッペンドルフ管(2ml)に乾燥茶葉(200mg)を入れ、ボールミルを用いて20Hzで10分間粉砕した後、さらにグリセロール(600μl)を加えて、粉砕した乾燥茶葉をグリセロールに溶かす。そして、グリセロールに溶かした乾燥茶葉を、再度ボールミルを用いて20Hzで10分間ホモジナイズし、ペースト状の緑茶サンプルを生成する。なお、乾燥茶葉を溶かす溶液としては、グリセロールに限らず、ヘキサン、アセトニトリル、香油等であってもよい。 First, dry tea leaves (200 mg) are put into an Eppendorf tube (2 ml), pulverized at 20 Hz for 10 minutes using a ball mill, glycerol (600 μl) is further added, and the pulverized dry tea leaves are dissolved in glycerol. Then, the dried tea leaves dissolved in glycerol are homogenized again at 20 Hz for 10 minutes using a ball mill to produce a pasty green tea sample. The solution for dissolving the dried tea leaves is not limited to glycerol, but may be hexane, acetonitrile, perfume oil, or the like.
次に、機器分析装置2としてFT−NIR測定装置を用いて、得られたペースト状のサンプルを1000nm〜2500nmの波長域で吸光度を測定した。なお、本実施例では、FT−NIR測定装置として、ミラー速度が1.2659cm/s、分解能が8cm−1であるSmart Near−IR UpDRIFT、CaF2ビームスプリッタ、および冷却InGaAs検出器を装着したNICOLET 6700 FT−IR(サーモエレクトロン株式会社)を用いた。また、データポイントの総数は、各スペクトルデータにつき1557(1000nm〜2500nm)であった。
Next, using the FT-NIR measuring apparatus as the
品質予測装置1の特徴量抽出部11は、上述のように、緑茶サンプルの吸光度を示すスペクトルデータを機器分析装置2から取得すると、当該スペクトルデータに対してテイラー展開を行うことにより、0〜4次の微分係数を得て、これらの微分係数をスペクトルの特徴量xi (k)(k≦4)として表現する。
As described above, the feature
次に、特徴量評価値決定部12は、特徴量抽出部11によって得られたスペクトルの特徴量xi (k)を波長毎に分類し、分類したスペクトルの特徴量を用いて特徴量評価値xrankを決定し、相関度算出部13に出力する。相関度算出部13は、スピアマンの順位相関係数を用いて、特徴量評価値決定部12で決定された特徴量評価値xrankと鑑定人が鑑定した結果である品質評価値Yとの相関度rを算出する。
Next, the feature quantity evaluation
相関度判定部14は、相関度算出部13で算出された相関度rが閾値rth=0.90よりも大きいと判定した場合には、相関度rを算出したときに用いた特徴量評価値xrankにおける波長sを有効波長決定部15に出力する。そして、有効波長決定部15は、相関度判定部14から出力された波長sを有効波長s’として決定する。
When the correlation
ここで、図4は、品質予測装置1において得られる、ある緑茶サンプルの吸光度を示すスペクトルデータと相関度rとを示す図である。また、図4の(a)は、機器分析装置2から取得する緑茶サンプルの吸光度を示すスペクトルデータ(生データ)、図4の(b)〜(e)は、それぞれ上記スペクトルデータ(生データ)に対して1〜4次微分を行ったときのスペクトルデータである。なお、図4に示すグラフでは、縦軸を相関度r、横軸を波長(nm)としている。
Here, FIG. 4 is a diagram showing the spectral data indicating the absorbance of a certain green tea sample and the degree of correlation r obtained in the
さらに、図4に示す「有効測定点の数(|r|>0.9)」は、有効波長決定部15で決定された有効波長の個数を示すものであり、図4の(a)〜(e)にそれぞれ対応するように示されている。
Furthermore, “the number of effective measurement points (| r |> 0.9)” illustrated in FIG. 4 indicates the number of effective wavelengths determined by the effective
図4の(a)に示すように、スペクトルデータ(生データ)の場合(0次微分の場合)、相関度判定部14によって相関度rの絶対値が予め設定された閾値rth=0.90よりも大きいと判定される波長の個数、すなわち有効波長決定部15で有効波長s’として決定される波長の個数は0個であった。また、(b)に示すように、1次微分の場合も、相関度判定部14が有効波長s’として決定する波長の個数は0個であった。
As shown in FIG. 4A, in the case of spectrum data (raw data) (in the case of zero-order differentiation), the threshold r th = 0. The number of wavelengths determined to be greater than 90, that is, the number of wavelengths determined by the effective
また、図4の(c)〜(e)に示すように、有効波長決定部15が有効波長s’として決定する波長の個数は、2次微分の場合には10個、3次微分の場合には22個、4次微分の場合には20個となった。
Further, as shown in FIGS. 4C to 4E, the number of wavelengths determined by the effective
すなわち、有効波長決定部15は、特徴量抽出部11にて抽出されるスペクトルの特徴量xi (k)が2次(k=2)以上の微分係数であれば、有効波長s’を決定することができる。また、有効波長決定部15は、スペクトルの特徴量xi (k)が3次(k=3)以上の場合には、スペクトルデータにおいてより多くの波長を有効波長s’として決定することができる。
In other words, the effective
次に、有効波長決定部15は、相関度判定部14で相関度rが閾値rth(=0.90)よりも大きいと判定された場合の波長sを有効波長s’として決定し、この有効波長s’をモデル式作成部16に出力する。モデル式作成部16は、この有効波長s’およびPLS法を用いてモデル式yを作成する。
Next, the effective
ここで、図5は、2〜4次の微分係数において、PLS法を用いて作成されるPLS回帰式(モデル式)における予測誤差の評価結果を示す図である。なお、図5に示すグラフでは、縦軸を予測誤差Rpred 2、横軸を潜在変数の数(因子数)としている。また、図6の(a)〜(c)は、それぞれ2〜4次の微分係数での各有効波長におけるPLS回帰式の係数を示す図である。なお、図6では、波長毎のPLS回帰式への寄与を把握することができる。 Here, FIG. 5 is a diagram showing evaluation results of prediction errors in a PLS regression equation (model equation) created by using the PLS method for the second to fourth order differential coefficients. In the graph shown in FIG. 5, the vertical axis represents the prediction error R pred 2 , and the horizontal axis represents the number of latent variables (number of factors). Moreover, (a)-(c) of FIG. 6 is a figure which shows the coefficient of the PLS regression equation in each effective wavelength in a 2nd-4th order differential coefficient, respectively. In FIG. 6, the contribution to the PLS regression equation for each wavelength can be grasped.
図5に示す予測誤差の評価結果により、モデル式作成部16は、2次の微分係数(2nd derivative)の場合に作成するPLS回帰式での潜在変数の数は4因子、3次の微分係数(3rd derivative)の場合には3因子、4次の微分係数(4th derivative)の場合には5因子と決定することにより、各PLS回帰式を構築した。なお、PLS法および予測誤差については上述したので、ここではその説明を割愛する。
Based on the prediction error evaluation results shown in FIG. 5, the model
また、図7は、モデル式作成部16が作成したモデル式の示す緑茶の品質予測値と、鑑定人が鑑定した結果である緑茶の品質評価値との相関度を示す図である。なお、図7に示すグラフでは、縦軸をモデル式yが示す品質予測値(Predicated)、縦軸を鑑定人が鑑定した結果である品質評価値(observed)を示している。すなわち、品質予測装置1における緑茶の品質予測値と鑑定人による品質評価値とが一致する場合には、図7に示す各記号(2次微分の場合;四角、3次微分の場合;三角、4次微分の場合;丸)は、図7に示す一点鎖線上にプロットされる。
FIG. 7 is a diagram showing the degree of correlation between the predicted quality of green tea indicated by the model formula created by the model
図7に示すように、2〜4次の微分係数の場合に作成されたモデル式yが示す品質予測値は、緑茶13サンプルの何れにおいても、鑑定人による品質評価値との相関度(相関度0.95以上)が高いことがわかる。 As shown in FIG. 7, the quality prediction value indicated by the model formula y created in the case of the second to fourth order differential coefficients is the degree of correlation (correlation degree) with the quality evaluation value by the expert in any of the 13 green tea samples. 0.95 or higher) is high.
すなわち、品質予測装置1では、食品として緑茶を用いた場合であっても、上述のようにモデル式作成部16がモデル式yを作成することによって、鑑定人による品質評価値と相関度の高いモデル式yを作成することができる。従って、本発明に係る品質予測装置1は、精度よく緑茶の品質予測を行うことができ、信頼性の高い緑茶の品質予測結果を提供することができる。
That is, in the
なお、上記では、品質予測装置1は、品質予測を行いたい食品として緑茶を用いたが、これに限らず、例えば紅茶、ワイン等の通常鑑定人による品質評価が行われることが多い食品についても同様の効果を得ることができる。
In the above description, the
ここで、本実施例における品質予測装置1および機器分析装置2で行われる一連の処理を実行可能な品質予測プログラムは、Java(登録商標)言語を用いて作成されている。なお、品質予測プログラムに用いられる言語としては、Java(登録商標)言語に限らず、品質予測装置1および機器分析装置2で行われる一連の処理についてプログラムを作成することが可能なプログラミング言語であればよい。なお、品質予測プログラムは、少なくとも品質予測装置1で行われる処理を実行可能なプログラムであればよい。
Here, a quality prediction program capable of executing a series of processes performed by the
品質予測装置1および機器分析装置2は、図8に示すメイン画面(操作画面)3に表示される各種ボタンに対してユーザ操作を検知した場合には、各種ボタンの機能に応じた処理を行う。ここで、図8は、品質予測装置1および機器分析装置2での処理が実行されるときに起動するメイン画面を示す図であり、品質予測装置1の表示部17に表示される画面の一例である。なお、メイン画面3は、品質予測装置1の表示部17に表示されなくてもよく、品質予測装置1と別途設けられた表示手段により表示されていてもよい。以下、図8に示すメイン画面3に表示された各種ボタンの機能について説明する。
When the
図8に示すメイン画面3には、「File Selection(1/cm)」ボタン31、「Differentiation」ボタン32、「Spearman’s c.c」ボタン33、「Peak Selection」ボタン34、「PLS」ボタン35、「Estimation by PLS model」ボタン36、および「PLS(cross-validation)」ボタン37が含まれる。
The
「File Selection(1/cm)」ボタン31は、機器分析装置2に処理を実行させるものであり、具体的には、食品サンプルの波長域1000nm〜2500nmにおいて得られる透過率を吸光度に変換させるものである。
The “File Selection (1 / cm)”
「Differentiation」ボタン32は、品質予測装置1に処理を実行させるものであり、具体的には、機器分析装置2での測定結果であるスペクトルデータに対して高次微分を行わせ、高次の微分係数を取得させるためのものである。なお、市販のソフトウェアでは、2次までの微分係数を求めることしかできなかったが、本発明に係る品質予測装置1に用いられる品質予測プログラムでは、4次までの微分係数を求めることが可能である。
The “Differentiation”
「Spearman’s c.c」ボタン33は、品質予測装置1に処理を実行させるものであり、具体的には、スピアマンの順位相関関係を求めさせるものである。また、「Peak Selection」ボタン34は、品質予測装置1に処理を実行させるものであり、具体的には、ユーザ設定によって閾値を決定させるものである。
"Spearman 's cc"
「PLS」ボタン35は、品質予測装置1に処理を実行させるものであり、具体的には、PLS回帰式を求めさせるものである。また、「Estimation by PLS model」ボタン36は、品質予測装置1に処理を実行させるものであり、具体的には、PLS回帰式による食品の品質予測を行わせる(すなわち、食品の品質ランキング(品質評価)を予測させる)ものである。さらに、「PLS(cross-validation)」ボタン37は、品質予測装置1に処理を実行させるものであり、具体的に、PLS回帰式の有効因子数を決定させるものである。
The “PLS”
図9は、緑茶サンプルに対して品質予測装置1における処理を行ったときに作成されるモデル式の一例を示す図である。図9では、モデル式作成部16が、図4に示すスペクトルデータを得たときの緑茶サンプルを用いて、3次の微分係数を得たときに作成したモデル式yを示している。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a model formula created when processing in the
また、図9では、モデル式作成部16が、有効波長決定部15で決定された有効波長s’全て(3次の微分係数の場合は22個;図4参照)を用いてモデル式yを作成した場合を示す。なお、モデル式作成部16は、図9に示すモデル式yから、図5に示す予測誤差Rpred 2が最大になるときの因子数(3次の微分係数の場合は3因子)を用いてモデル式yを作成することも可能である。
In FIG. 9, the model
以上のように、品質予測装置1および機器分析装置2は、図8に示すメイン画面3を各種ボタンに対するユーザ操作を検知した場合には、各種ボタンの機能に応じた上記処理を行う。従って、ユーザは、メイン画面3の各種ボタンを操作することによって、品質予測装置1に食品の品質予測を簡単に行わせることができ、この品質予測結果を簡単に知ることができる。
As described above, when the
〔補足〕
最後に、本実施形態に係る品質予測装置1の各ブロック、特に特徴量抽出部11、特徴量評価値決定部12、相関度算出部13、相関度判定部14、有効波長決定部15、およびモデル式作成部16は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにCPUを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
[Supplement]
Finally, each block of the
すなわち、本実施形態に係る品質予測装置1は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するCPU(central processing unit)、上記プログラムを格納したROM(read only memory)、上記プログラムを展開するRAM(random access memory)、上記プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記憶装置(記録媒体)などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである品質予測装置1の制御プログラムのプログラムコード(実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム)をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記品質予測装置1に供給し、そのコンピュータ(またはCPUやMPU)が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。
That is, the
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー(登録商標)ディスク/ハードディスク等の磁気ディスクやCD−ROM/MO/MD/DVD/CD−R等の光ディスクを含むディスク系、ICカード(メモリカードを含む)/光カード等のカード系、あるいはマスクROM/EPROM/EEPROM/フラッシュROM等の半導体メモリ系などを用いることができる。 Examples of the recording medium include a tape system such as a magnetic tape and a cassette tape, a magnetic disk such as a floppy (registered trademark) disk / hard disk, and an optical disk such as a CD-ROM / MO / MD / DVD / CD-R. Card system such as IC card, IC card (including memory card) / optical card, or semiconductor memory system such as mask ROM / EPROM / EEPROM / flash ROM.
また、本実施形態に係る品質予測装置1を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを、通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、LAN、ISDN、VAN、CATV通信網、仮想専用網(virtual private network)、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、IEEE1394、USB、電力線搬送、ケーブルTV回線、電話線、ADSL回線等の有線でも、IrDAやリモコンのような赤外線、Bluetooth(登録商標)、802.11無線、HDR、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。
The
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.
本発明に係る品質予測装置は、食品の品質を鑑定する鑑定人に頼ることなく、かつ鑑定人の行った官能試験と同等の食品の品質評価を、簡単にかつ精度よく予測することが可能となるため、例えば緑茶、紅茶、ワイン等の鑑定人による品質評価が求められることが多い食品には有効である。 The quality prediction apparatus according to the present invention can easily and accurately predict the quality evaluation of food equivalent to the sensory test conducted by the appraiser without relying on the appraiser who appraise the quality of the food. For example, it is effective for foods often requiring quality evaluation by an expert such as green tea, black tea, and wine.
1 品質予測装置
3 メイン画面(操作画面)
11 特徴量抽出部(特徴量抽出手段)
12 特徴量評価値決定部(特徴量評価値決定手段)
13 相関度算出部(相関度算出手段)
14 相関度判定部(相関度判定手段)
15 有効波長決定部(有効波長決定手段)
16 モデル式作成部(品質予測値決定手段)
17 表示部(表示手段)
1
11 Feature Extraction Unit (Feature Extraction Unit)
12 feature quantity evaluation value determination unit (feature quantity evaluation value determination means)
13 Correlation degree calculation unit (correlation degree calculation means)
14 Correlation degree determination unit (correlation degree determination means)
15 Effective wavelength determining unit (effective wavelength determining means)
16 Model formula creation part (quality predicted value determination means)
17 Display section (display means)
Claims (9)
複数の食品サンプルに対する機器分析結果から、スペクトルの特徴量を該食品サンプル毎に抽出する特徴量抽出手段と、
上記特徴量抽出手段が食品サンプル毎に抽出したスペクトルの特徴量を波長毎に分類し、該波長毎に分類したスペクトルの特徴量の順位を評価するための特徴量評価値を決定する特徴量評価値決定手段と、
上記特徴量評価値決定手段が決定した特徴量評価値と、上記複数の食品サンプルの品質鑑定を行う鑑定人による品質評価値との相関度を求める相関度算出手段と、
上記相関度算出手段が求めた相関度の絶対値が、予め設定された相関度の閾値よりも大きいか否かを判定する相関度判定手段と、
上記相関度判定手段によって上記相関度の絶対値が上記閾値よりも大きいと判定された場合、該相関度を上記相関度算出手段が求めたときに用いた特徴量評価値における波長を有効波長として決定する有効波長決定手段と、
上記有効波長決定手段が決定した有効波長を用いて、各食品サンプルの品質予測値を決定する品質予測値決定手段と、を備えたことを特徴とする品質予測装置。 A quality prediction device for predicting the quality of food,
A feature amount extraction means for extracting a feature amount of a spectrum for each food sample from instrument analysis results for a plurality of food samples;
Feature amount evaluation for classifying the spectrum feature amount extracted for each food sample by the feature amount extraction unit for each wavelength and determining a feature amount evaluation value for evaluating the ranking of the spectrum feature amount classified for each wavelength A value determining means;
Correlation degree calculating means for obtaining a correlation degree between the feature amount evaluation value determined by the feature amount evaluation value determining means and a quality evaluation value by an expert who performs quality evaluation of the plurality of food samples;
Correlation degree determination means for determining whether or not the absolute value of the correlation degree obtained by the correlation degree calculation means is larger than a preset correlation degree threshold;
When the correlation degree determining means determines that the absolute value of the correlation degree is larger than the threshold value, the wavelength in the feature value evaluation value used when the correlation degree calculating means obtains the correlation degree is set as an effective wavelength. An effective wavelength determining means for determining;
A quality prediction apparatus comprising: a quality prediction value determination unit that determines a quality prediction value of each food sample using the effective wavelength determined by the effective wavelength determination unit.
複数の食品サンプルに対する機器分析結果から、スペクトルの特徴量を該食品サンプル毎に抽出する特徴量抽出ステップと、
上記特徴量抽出ステップにおいて食品サンプル毎に抽出したスペクトルの特徴量を波長毎に分類し、該波長毎に分類したスペクトルの特徴量の順位を評価するための特徴量評価値を決定する特徴量評価値決定ステップと、
上記特徴量評価値決定ステップにおいて決定した特徴量評価値と、上記複数の食品サンプルの品質鑑定を行う鑑定人による品質評価値との相関度を求める相関度算出ステップと、
上記相関度算出ステップにおいて求めた相関度の絶対値が、予め設定された相関度の閾値よりも大きいか否かを判定する相関度判定ステップと、
上記相関度判定ステップにおいて上記相関度の絶対値が上記閾値よりも大きいと判定された場合、該相関度を上記相関度算出ステップにおいて求めたときに用いた特徴量評価値における波長を有効波長として決定する有効波長決定ステップと、
上記有効波長決定ステップにおいて決定した有効波長を用いて、各食品サンプルの品質予測値を決定する品質予測値決定ステップと、を含むことを特徴とする品質予測方法。 A quality prediction method in a quality prediction apparatus for predicting the quality of food,
A feature amount extraction step for extracting a spectrum feature amount for each food sample from instrument analysis results for a plurality of food samples;
Feature amount evaluation for categorizing the feature amount of the spectrum extracted for each food sample in the feature amount extraction step for each wavelength and determining a feature amount evaluation value for evaluating the rank of the feature amount of the spectrum classified for each wavelength A value determination step;
A degree-of-correlation calculation step for obtaining a degree of correlation between the feature amount evaluation value determined in the feature amount evaluation value determination step and a quality evaluation value by an expert who performs quality evaluation of the plurality of food samples;
A correlation degree determining step for determining whether or not the absolute value of the correlation degree obtained in the correlation degree calculating step is greater than a preset correlation degree threshold;
When it is determined in the correlation degree determination step that the absolute value of the correlation degree is larger than the threshold value, the wavelength in the feature amount evaluation value used when the correlation degree is obtained in the correlation degree calculation step is set as an effective wavelength. An effective wavelength determining step to determine;
A quality prediction method comprising: a quality prediction value determination step for determining a quality prediction value of each food sample using the effective wavelength determined in the effective wavelength determination step.
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